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一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器、電池系統(tǒng)及工作方法與流程

文檔序號(hào):11252920閱讀:1216來源:國知局
一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器、電池系統(tǒng)及工作方法與流程
本發(fā)明屬于化學(xué)儲(chǔ)能電池技術(shù),具體涉及一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器、電池反應(yīng)器控制系統(tǒng)及工作方法。
背景技術(shù)
:半固態(tài)鋰液流電池是最新發(fā)展起來的一種電化學(xué)儲(chǔ)能電池技術(shù),它綜合了鋰離子電池和液流電池的優(yōu)點(diǎn),是一種輸出功率和儲(chǔ)能容量彼此獨(dú)立,且能量密度大、成本較低、高安全的新型二次電池。它不僅可以作為太陽能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的配套儲(chǔ)能設(shè)備,還可以作為電網(wǎng)的調(diào)峰裝置,提高輸電質(zhì)量,保障電網(wǎng)安全。半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器為電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換提供場(chǎng)所,是半固態(tài)鋰液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心裝置,對(duì)電池系統(tǒng)成本、電池功率、能量效率和循環(huán)壽命等性能有重要的影響。隔離層為半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器隔離多孔正極集流體和多孔負(fù)極集流體并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過,而電解液或者凝膠電解質(zhì)中的鋰離子能夠自由通過的電子絕緣層,對(duì)解決電池極化和短路問題具有重要作用?,F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器存在以下問題:1)為了防止短路,電池反應(yīng)器使用較厚且孔隙率較小的隔離層,這樣在充放電過程中,正、負(fù)電極懸浮液中的活性材料嵌入隔離層微孔中,堵塞隔離層,使電池內(nèi)阻增大,極化嚴(yán)重;2)為了降低電池反應(yīng)器內(nèi)阻和極化,若使用孔隙率較大且較薄的隔離層,可以提高電池離子的通透率,但是正、負(fù)電極懸浮液中納米級(jí)導(dǎo)電顆粒容易滲入到隔離層并形成橋接,導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:針對(duì)以上存在的問題,本發(fā)明提供一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器,該反應(yīng)器的隔離腔內(nèi)充滿間歇流動(dòng)的電解液,電解液能夠起到有效完成離子傳輸而隔離電子的作用,本發(fā)明同時(shí)提供一種基于該電池反應(yīng)器的電池系統(tǒng),隔離腔內(nèi)的電解液通過電解液循環(huán)系統(tǒng)的過濾裝置和加熱裝置,同時(shí)提供了一種控制隔膜內(nèi)電解液和電池腔體內(nèi)電極懸浮液流動(dòng)的方法,能夠有效降低電池極化、提高電池安全性。本發(fā)明提供技術(shù)方案如下:一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器,包括電池框架、電極腔,所述電池框架為內(nèi)部中空的長方體,長方體含三組相對(duì)面a-a1面、b-b1面和c-c1面;其特征在于,所述電極腔包括正極腔和負(fù)極腔,其中正極腔是由兩層多孔正極集流體相對(duì)兩側(cè)邊緣之間設(shè)有絕緣體形成的通透腔體,負(fù)極腔是由兩層多孔負(fù)極集流體相對(duì)兩側(cè)邊緣之間設(shè)有絕緣體形成的通透腔體;在 長方體相對(duì)的兩面a-a1面設(shè)有若干對(duì)容納所述正極腔的正極直通空槽,正極腔內(nèi)充滿連續(xù)或者間歇流動(dòng)的正極懸浮液,在長方體相對(duì)的兩面b-b1面設(shè)有若干對(duì)容納所述負(fù)極腔的負(fù)極直通空槽,負(fù)極腔充滿連續(xù)或者間歇流動(dòng)的負(fù)極懸浮液,所述正極腔和負(fù)極腔交替排列放置;所述正極腔和負(fù)極腔之間設(shè)有直通的隔離腔,所述隔離腔高度為0.1~1mm,內(nèi)部充滿間歇流動(dòng)的電解液,所述隔離腔內(nèi)電解液從a-a1面的隔離腔進(jìn)口槽進(jìn)入電池反應(yīng)器的隔離腔內(nèi),從b-b1面的隔離腔出口槽流出;或者,所述隔離腔內(nèi)電解液從b-b1面的隔離腔進(jìn)口槽進(jìn)入電池反應(yīng)器的隔離腔內(nèi),從a-a1面的隔離腔出口槽流出。所述正極腔的多孔正極集流體外側(cè)和負(fù)極腔的多孔負(fù)極集流體外側(cè)分別設(shè)有電子絕緣的隔膜,并且所述隔膜的厚度小于等于隔離腔高度的三分之二;所述電極腔隔膜與多孔集流體緊密接觸,多孔集流體與隔膜之間可以采用真空蒸鍍、電鍍、化學(xué)鍍、流延、旋涂、噴涂、熱壓、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、粘接、機(jī)械壓合等方法進(jìn)行復(fù)合,使多孔集流體和隔膜能夠緊密貼合。或者,所述正極腔的多孔正極集流體外側(cè)和/或負(fù)極腔的多孔負(fù)極集流體外側(cè)不設(shè)隔膜,尤其是當(dāng)隔離腔的高度≥0.5mm時(shí),多孔正極集流體和多孔負(fù)極集流體被隔離腔內(nèi)的電解液隔離,不會(huì)接觸短路。所述正極腔的腔體高度為0.5mm~10mm,優(yōu)選為1~3mm,所述負(fù)極腔的腔體高度為0.5mm~10mm,優(yōu)選為1~3mm。所述隔離腔位于正極腔和負(fù)極腔之間,并且,隔離腔內(nèi)充滿間歇流動(dòng)的電解液,電解液具有較好的離子導(dǎo)電特性和電子絕緣特性,并起到以下作用:(1)當(dāng)正極腔內(nèi)正極懸浮液的導(dǎo)電顆粒和負(fù)極腔內(nèi)負(fù)極懸浮液的導(dǎo)電顆粒滲入到隔離腔內(nèi)的電解液并形成橋接短路,隔離腔內(nèi)電解液的流動(dòng)可以將導(dǎo)電顆粒循環(huán)帶出隔離腔,破壞內(nèi)部短路橋接,避免電池發(fā)生內(nèi)部橋接短路;(2)電池長時(shí)間工作后,嵌入到隔膜微孔內(nèi)的電極材料顆粒會(huì)堵塞隔膜孔隙,使電池內(nèi)阻增大,通過隔離腔內(nèi)電解液的流動(dòng)沖刷隔膜,可以將微孔中的電極材料顆粒反向沖洗,重新進(jìn)入到電極腔的電極懸浮液中,同時(shí)釋放隔膜孔隙;(3)通過調(diào)整隔離腔內(nèi)電解液對(duì)多孔集流體的壓力大小來調(diào)整隔離腔和電極腔的間隙,已達(dá)到改變電池內(nèi)阻和電池極化的情況;(4)這種結(jié)構(gòu)能夠通過控制隔離腔內(nèi)電解液的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)正、負(fù)極懸浮液進(jìn)行補(bǔ)液,調(diào)整正、負(fù)極懸浮液的濃度,避免正、負(fù)極懸浮液因長期循環(huán)電解液的揮發(fā)或損耗后粘度變大,流動(dòng)性能下降。所述多孔正極集流體是厚度為0.01~1000μm的具有通孔結(jié)構(gòu)的電子導(dǎo)電層,其通孔孔隙率為30%~90%,孔徑范圍10nm~2mm;或者,所述多孔正極集流體為導(dǎo)電填料與粘結(jié)劑的 多孔混合物,其中,導(dǎo)電填料為炭黑、碳納米管、碳纖維、石墨烯、鈦粉、鋁粉、銀粉、合金鋁粉、不銹鋼粉或銀粉、富鋰硅粉、含鋰合金粉類金屬合金導(dǎo)電顆粒,或者是含鋰碳材料中的一種或幾種,粘結(jié)劑為聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡膠、羧甲基纖維素鈉、改性聚烯烴中的一種或幾種,導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于70%;或者,所述多孔正極集流體為具有多孔結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)電層,金屬導(dǎo)電層為金屬網(wǎng)、金屬絲或表面附有導(dǎo)電碳材料涂層的金屬絲編織而成,網(wǎng)孔為方形、菱形、長方形或多邊形等;或者,所述金屬導(dǎo)電層為具有多孔結(jié)構(gòu)的多孔泡沫金屬層,或者為多孔金屬板或金屬箔經(jīng)機(jī)械沖壓或化學(xué)腐蝕而成,金屬導(dǎo)電層的材質(zhì)為鋁、合金鋁、不銹鋼、銀、錫或鈦,優(yōu)選為鋁;或者,所述多孔正極集流體為導(dǎo)電碳纖維導(dǎo)電布、金屬絲與有機(jī)纖維絲混合導(dǎo)電布、表面涂覆導(dǎo)電碳材料涂層或者鍍有金屬薄膜的多孔有機(jī)材料,所述多孔有機(jī)材料包括天然棉麻、滌綸、芳綸、尼龍、丙綸、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐電解液性能良好的有機(jī)物,所述金屬絲及所鍍金屬鍍薄膜的材料為鋁、合金鋁、不銹鋼或銀,優(yōu)選為鋁;或者,所述多孔正極集流體為添加有上述導(dǎo)電填料的聚合物電解質(zhì)層,所述聚合物電解質(zhì)層為聚合物基體、液體有機(jī)增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料;或者,所述多孔正極集流體為上述幾種集流體中的任意兩種或幾種所組成的復(fù)合集流體。所述多孔負(fù)極集流體是厚度為0.01~1000μm的具有通孔結(jié)構(gòu)的電子導(dǎo)電層,其通孔孔隙率為30%~90%,孔徑范圍10nm~2mm。所述多孔負(fù)極集流體為導(dǎo)電填料與粘結(jié)劑多孔混合物,其中,導(dǎo)電填料為鈦粉、銅粉、富鋰硅粉、含鋰合金粉類金屬合金導(dǎo)電顆粒,或者是碳黑、碳納米管、碳纖維、石墨烯、含鋰碳材料中的一種或幾種,粘結(jié)劑為聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚醚腈、聚丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、丁苯橡膠、羧甲基纖維素鈉、改性聚烯烴中的一種或幾種,導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于70%;或者,所述多孔負(fù)極集流體為具有多孔結(jié)構(gòu)的金屬導(dǎo)電層,金屬導(dǎo)電層為金屬絲或表面附有導(dǎo)電碳材料涂層的金屬絲編織而成,網(wǎng)孔為方形、菱形、長方形或多邊形等;或者,所述金屬導(dǎo)電層為具有多孔結(jié)構(gòu)的多孔泡沫金屬層,或者為多孔金屬板或金屬箔經(jīng)機(jī)械沖壓或化學(xué)腐蝕而成,金屬導(dǎo)電層的材質(zhì)為不銹鋼、鎳、鈦、銀、錫、鍍錫銅、鍍鎳銅、優(yōu)選為鍍鎳銅;或者,所述多孔負(fù)極集流體為碳纖維導(dǎo)電布、金屬絲與有機(jī)纖維絲混合導(dǎo)電布、表面涂覆導(dǎo)電碳材料涂層或者鍍有金屬薄膜的多孔有機(jī)材料,所述多孔有機(jī)材料包括天然棉麻、滌綸、芳綸、尼龍、丙綸、聚乙烯、聚四氟乙烯及其它耐電解液性能良好的有機(jī)物;或者,所述多孔負(fù)極集流體為添加有上述導(dǎo)電填料的聚合物電解 質(zhì)層,所述聚合物電解質(zhì)層為聚合物基體、液體有機(jī)增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料;或者,所述多孔負(fù)極集流體為上述幾種集流體中的任意兩種或幾種所組成的復(fù)合集流體。進(jìn)一步的,在所述多孔集流體表面可以設(shè)有電極層,其中電極層為電極活性材料、導(dǎo)電劑和/或粘合劑的混合物通過流延法、浸漬法或淋涂、熱噴涂、刷涂或粘接、雙面輥壓等方式固定在多孔集流層的雙面并干燥烘干制得;或者,通過流延法、淋涂、熱噴涂、刷涂、粘接、或單面輥壓等方式固定在多孔集流層與隔離層接觸的另一側(cè)并干燥烘干制得;所述混合物按質(zhì)量百分比組成為電極活性材料:導(dǎo)電劑:粘合劑=40~95%:1~30%:0~20%。所述隔膜為聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、或其它電子不導(dǎo)電的多孔聚合物材料;或者,隔膜為玻璃纖維無紡布、合成纖維無紡布、陶瓷纖維紙、或其它電子不導(dǎo)電的無機(jī)非金屬材料與有機(jī)聚合物的復(fù)合多孔材料;或者,隔膜的材料采用電子不導(dǎo)電的聚合物基體、液體有機(jī)增塑劑和鋰鹽三部分復(fù)合構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)復(fù)合材料。進(jìn)一步,所述的電子不導(dǎo)電的多孔聚合物材料、無機(jī)非金屬材料與有機(jī)聚合物的復(fù)合多孔材料的孔隙內(nèi)浸漬有離子導(dǎo)電的電解液或聚合物膠體材料。隔膜的主要作用是避免正負(fù)多孔集流體直接接觸而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。所述正極懸浮液為正極活性材料顆粒、導(dǎo)電劑與電解液的混合物,正極活性材料顆粒的體積含量為10%~40%,導(dǎo)電劑的體積含量為0.1%~5%;所述正極活性材料為磷酸鐵鋰、磷酸錳鋰、硅酸鋰、硅酸鐵鋰、硫酸鹽化合物、鈦硫化合物、鉬硫化合物、鐵硫化合物、摻雜鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰鈦氧化物、鋰釩氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鎳鈷氧化物、鋰鎳鋁氧化物、鋰鎳鈷錳氧化物、鋰鐵鎳錳氧化物以及其它可脫嵌鋰化合物中的一種或多種;所述導(dǎo)電劑為炭黑、碳纖維、科琴黑、石墨烯、金屬顆粒中的一種或幾種的混合物。所述負(fù)極懸浮液為負(fù)極活性材料顆粒、導(dǎo)電劑與電解液的混合物,負(fù)極活性材料顆粒的體積含量為10%~50%,導(dǎo)電劑的體積含量為0.1%~5%;所述負(fù)極活性材料為鋰合金或能夠可逆嵌鋰的鋁基合金、硅基合金、錫基合金、鋰鈦氧化物(li4ti5o12)、鋰硅氧化物、金屬鋰粉和石墨中的一種或多種;所述導(dǎo)電劑為炭黑、碳纖維、科琴黑、石墨烯、金屬顆粒中的一種或幾種的混合物。所述電解液為采用六氟磷酸鋰或雙乙二酸硼酸鋰溶解于有機(jī)溶劑或離子液體的溶液,所述有機(jī)溶劑包括碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯的一種或幾種,所述離子液體包括n-甲基-n-丙基吡咯-二(三氟甲基磺酰)亞胺、1-甲基-4-丁基吡啶-二(三氟甲基磺酰)亞胺、1,2-二甲基-3-n-丁基咪唑、1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸、1-甲基-3- 丁基咪唑六氟磷酸的一種或幾種混合物。進(jìn)一步地,所述電解液中含有添加劑,添加劑通過參與sei膜的生成反應(yīng),從而改變sei膜的組成與結(jié)構(gòu),形成性能良好的sei膜,或者添加劑作為表面活性劑改變金屬鋰電極表面的反應(yīng)活性,促使表面趨于平整;所述添加劑為無機(jī)添加劑或有機(jī)添加劑,無機(jī)添加劑包括hf、co2、so2、al2o3、sio2、mgo、gao、zno、sni3、ali3、mg(clo4)2,有機(jī)添加劑包括四氫呋喃及其衍生物、萘烷、苯、聯(lián)吡啶類化合物、peo、peo的二甲醚、二甲基硅烷與環(huán)氧丙烷的共聚物、c8f17so3li(簡寫為lifos)、c8f17so3-(c2h5)4n(簡寫為teafos)、(c2h5)4nf(hf)4、氟代碳酸乙烯酯、聚乙二醇二甲醚(pegdme)、全氟聚醚(pfpe)、芳香烴雜環(huán)衍生物、冠醚、碳酸亞乙烯酯(vc)。所述正極腔設(shè)有正極極耳,所述正極極耳與多孔正極集流體電連接,并延伸出,優(yōu)選的,從正極腔的多孔正極集流體伸出的兩個(gè)正極極耳呈對(duì)角,呈對(duì)角的正極極耳分別通過第一正極導(dǎo)流桿和第二正極導(dǎo)流桿電連接,并從電池反應(yīng)器的電池框架延伸出;所述負(fù)極腔設(shè)有負(fù)極極耳,所述負(fù)極極耳與多孔負(fù)極集流體電連接,并延伸出,優(yōu)選的,從負(fù)極腔的多孔負(fù)極集流體伸出的兩個(gè)負(fù)極極耳呈對(duì)角,呈對(duì)角的負(fù)極極耳分別通過第一負(fù)極導(dǎo)流桿和第二負(fù)極導(dǎo)流桿電連接,并從電池反應(yīng)器的電池框架延伸出。所述電極腔內(nèi)的極耳呈對(duì)角延伸,能夠有效提高電池集流的均一性,提高電池充放電導(dǎo)流的一致性。進(jìn)一步,本發(fā)明半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器還包括:正極分流板、正極匯流板、負(fù)極分流板、負(fù)極匯流板、電解液分流腔、電解液匯流腔。其中,正極分流板位于電池框架的面a側(cè)且與面a緊密接觸并固定,正極匯流板位于電池框架的面a1側(cè)且與面a1緊密接觸并固定;負(fù)極分流板位于電池框架的面b側(cè)且與b面緊密接觸并固定,負(fù)極匯流板位于電池框架的面b1側(cè)且與b1面緊密接觸并固定。電解液分流腔包括第一分流腔和第二分流腔,第一分流腔和第二分流腔分別與正極分流板和正極匯流板緊密接觸并固定;電解液匯流腔包括第一匯流腔和第二匯流腔,第一匯流腔和第二匯流腔分別與負(fù)極分流板和負(fù)極匯流板緊密接觸并固定;或者,第一分流腔和第二分流腔分別與負(fù)極分流板和負(fù)極匯流板緊密接觸并固定;第一匯流腔和第二匯流腔分別與正極分流板和正極匯流板緊密接觸并固定。所述正極分流板與正極匯流板結(jié)構(gòu)相同,設(shè)有主流道和分流道,所述分流道的位置和數(shù)量與正極腔的位置和數(shù)量一一對(duì)應(yīng),主流道與電池反應(yīng)器的正極進(jìn)液口或正極出液口連通,分流道通過若干個(gè)分流孔與正極腔連通。正極懸浮液從正極進(jìn)液口進(jìn)入所述正極分流板的主流道,通過分流道底部的分流孔進(jìn)入正極盒的反應(yīng)腔發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完成后的正極懸浮液通過正極匯流板的分流道流經(jīng)主流道,由正極出液口流出。所述負(fù)極分流板與負(fù)極匯流板結(jié)構(gòu)相同,設(shè)有主流道和分流道,所述分流道的位置和數(shù)量與負(fù)極腔的位置和數(shù)量一一對(duì)應(yīng),主流道與電池反應(yīng)器的負(fù)極進(jìn)液口或負(fù)極出液口連通,分流道通過若干個(gè)分流孔與負(fù)極腔連通。負(fù)極懸浮液從負(fù)極進(jìn)液口進(jìn)入所述負(fù)極分流板的主流道,通過分流道底部的分流孔進(jìn)入負(fù)極腔的反應(yīng)腔發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完成后的負(fù)極懸浮液通過負(fù)極匯流板的分流道流經(jīng)主流道,由負(fù)極出液口流出。進(jìn)一步,正極分流板、正極匯流板、負(fù)極分流板和負(fù)極匯流板上均設(shè)有電解液直通空槽,以便電解液流通。所述電解液分流腔設(shè)有電解液進(jìn)液口和電解液儲(chǔ)液腔,所述電解液儲(chǔ)液腔與正極分流板和正極匯流板的所有電解液直通空槽連通,所述電解液進(jìn)液口通過輸液管路與電解液儲(chǔ)液裝置連通;所述電解液匯流腔設(shè)有電解液出液口和電解液儲(chǔ)液腔,所述電解液儲(chǔ)液腔與負(fù)極分流板和負(fù)極匯流板的所有電解液直通空槽連通,所述電解液出液口通過輸液管路與電解液儲(chǔ)液裝置連通;電解液從電解液分流腔的進(jìn)液口流入到電解液分流腔的儲(chǔ)液腔內(nèi),通過正極分流板和正極匯流板的電解液直通空槽分流進(jìn)電池反應(yīng)器的每個(gè)隔離腔內(nèi),隔離腔內(nèi)的電解液再通過負(fù)極分流板和負(fù)極匯流板的直通空槽流入到電解液匯流腔的儲(chǔ)液腔內(nèi),通過電解液匯流腔的出液口流出電池反應(yīng)器。電解液這種雙進(jìn)雙出的流動(dòng)方式可以使得隔離腔內(nèi)電解液流動(dòng)更加充分,盡量減少流動(dòng)死角。本發(fā)明還提供一種半固態(tài)鋰液流電池系統(tǒng),包括電解液循環(huán)系統(tǒng)其特征在于:所述電解液循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電解液在隔離腔內(nèi)間歇式流動(dòng),包括電解液儲(chǔ)液裝置、過濾裝置、加熱裝置及驅(qū)動(dòng)裝置;所述電解液儲(chǔ)液裝置采用絕緣耐腐蝕材料或者內(nèi)嵌絕緣耐腐蝕材料構(gòu)成的容器,用來存儲(chǔ)電解液。所述過濾裝置為濾布,濾紙,紗線、微孔塑料、管式過濾機(jī)、或連續(xù)式加壓過濾機(jī)等,過濾精度大于0.05μm,通過沉降、過濾、吸附等方式將滲入電解液的電極顆粒和導(dǎo)電顆粒過濾掉,過濾后的電解液重新進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng);所述加熱裝置為電阻絲、pct加熱片、以及硅橡膠加熱板等,可將進(jìn)入電池反應(yīng)器之前的電解液的溫度加熱到25~60℃;所述電解液驅(qū)動(dòng)裝置采用氣壓、液泵等作為電解液循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力源。所述電解液循環(huán)系統(tǒng)的加熱裝置可將進(jìn)入電池反應(yīng)器之前的電解液的溫度加熱到 25~60℃,高溫電解液可以提高隔離層內(nèi)電解液的離子導(dǎo)電性,進(jìn)而提高電池的倍率特性,降低電池極化內(nèi)阻。一種半固態(tài)鋰液流電池電解液循環(huán)系統(tǒng)工作方法:(1)電池系統(tǒng)充放電工作時(shí):當(dāng)電池存在短路,此時(shí)可通過電解液循環(huán)系統(tǒng)向隔離腔內(nèi)注入新的電解液,增加電解液對(duì)多孔集流體的壓力,當(dāng)電池極化增大和電池內(nèi)阻增大時(shí),則可通過電解液循環(huán)系統(tǒng)將隔離腔內(nèi)的電解液流出,減小電解液對(duì)多孔集流體的壓力;(2)當(dāng)電池系統(tǒng)充放電停止工作、電極懸浮液停止循環(huán)時(shí),開啟電解液循環(huán)系統(tǒng),隔離腔內(nèi)的電解液循環(huán)流動(dòng),電解液通過過濾裝置將滲入電解液的電極顆粒和導(dǎo)電顆粒過濾掉,使得流入隔離腔內(nèi)的電解液具有良好的離子導(dǎo)電性和電子絕緣性。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:1)當(dāng)電極腔內(nèi)電極懸浮液的導(dǎo)電顆粒滲入到隔離腔內(nèi)的電解液并形成橋接短路,這時(shí)啟動(dòng)電解液循環(huán)系統(tǒng),隔離腔內(nèi)的電解液循環(huán)流動(dòng),可以將導(dǎo)電顆粒循環(huán)帶出隔離腔,避免電池發(fā)生內(nèi)部橋接短路;2)電池長時(shí)間工作后,電極材料顆粒有可能會(huì)嵌入到隔膜的微孔內(nèi),堵塞隔膜孔隙,使電池內(nèi)阻增大,通過隔離腔內(nèi)的電解液沖刷隔膜,可以將微孔中的電極材料顆粒反向沖洗,重新進(jìn)入到電極腔的電極懸浮液中,這樣可以使隔膜保持一定的孔隙率;3)可通過電解液循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)隔離腔內(nèi)電解液對(duì)多孔集流體的壓力大小,來應(yīng)對(duì)電池微短路或極化增大的情況;4)這種結(jié)構(gòu)能夠通過控制隔離腔內(nèi)電解液的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)電極懸浮液進(jìn)行補(bǔ)液,調(diào)整電極懸浮液的濃度,避免電極懸浮液因長期循環(huán)電解液的揮發(fā)或損耗導(dǎo)致粘度變大,流動(dòng)性能下降。附圖說明圖1為本發(fā)明半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器原理圖,其中,101—隔膜,102—隔離腔;103—多孔正極集流體;104—多孔負(fù)極集流體;105—正極反應(yīng)腔;106—負(fù)極反應(yīng)腔;隔離腔的高度為d;圖2為本發(fā)明正極腔的截面圖,其中圖(a)為正極腔立體圖,圖(b)為正極腔剖面圖,200—正極腔;201—絕緣體;202—正極極耳;圖3為本發(fā)明半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器電池框架結(jié)構(gòu)示意圖,其中,a-a1面、b-b1面和c-c1面為電池框架的三組對(duì)立面,300—電池框架;301—正極腔的直通空槽;302—負(fù)極腔 的直通空槽;圖4為本發(fā)明正極腔、負(fù)極腔與電池框架組裝圖,其中,圖(a)為設(shè)有正極腔、負(fù)極腔的電池框架結(jié)構(gòu)示意圖,a-a1面、b-b1面和c-c1面為電池框架的三組對(duì)立面,圖(b)為設(shè)有正極腔和負(fù)極腔的電池框架a面正視圖;401—負(fù)極腔;402—負(fù)極極耳;圖5為本發(fā)明正極分流板結(jié)構(gòu)示意圖,其中,圖(a)為分流板結(jié)構(gòu)示意圖,圖(b)為分流板沿m-m1方向的剖視圖;500—正極分流板;501—正極進(jìn)液口;502—分流凸臺(tái);503—分流口;504—電解液進(jìn)液槽;505—極耳卡槽;506—主流道;507—分流道;圖6為本發(fā)明電解液分流腔結(jié)構(gòu)示意圖,其中,600—第一分流腔;601—第一進(jìn)液口;602—電解液儲(chǔ)液腔;圖7為本發(fā)明電池反應(yīng)器組裝分流板、匯流板結(jié)構(gòu)示意圖,其中,圖(a)為組裝示意圖,圖(b)為結(jié)構(gòu)示意圖;701—正極匯流板;702—負(fù)極分流板;703—負(fù)極匯流板;704正極出液口;705—負(fù)極進(jìn)液口;706—負(fù)極出液口;707—第一正極導(dǎo)流桿;708—第二正極導(dǎo)流桿;709—第一負(fù)極導(dǎo)流桿;710—第二負(fù)極導(dǎo)流桿;711—電解液出液槽;圖8為本發(fā)明電池反應(yīng)器電解液分流腔組裝結(jié)構(gòu)示意圖,其中,圖(a)為組裝示意圖,圖(b)為結(jié)構(gòu)示意圖;800—半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器;801—第二分流腔;802—第一匯流腔;803—第二匯流腔;804—第二進(jìn)液口;805—第一出液口;806—第二出液口;圖9為半固態(tài)鋰液流電池系統(tǒng)示意圖,其中,900—半固態(tài)鋰液流電池系統(tǒng);901—電解液儲(chǔ)液裝置;902—電解液驅(qū)動(dòng)裝置;903—過濾裝置;904—加熱裝置。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖,通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例一本實(shí)施例中提供一種半固態(tài)鋰液流電池反應(yīng)器900,包括電池框架400、正極腔200、負(fù)極腔401、正極分流板801、正極匯流板802、負(fù)極分流板803、負(fù)極匯流板804、正極進(jìn)液口805、正極出液口806、負(fù)極進(jìn)液口807、負(fù)極出液口808、第一正極導(dǎo)流桿809、第二正極導(dǎo)流桿810、第一負(fù)極導(dǎo)流桿811、第二負(fù)極導(dǎo)流桿812、第一分流腔901;第二分流腔902;第一匯流腔903;第二匯流腔904。正極腔200包括兩層具有相同極性的多孔正極集流體103、隔膜101、以及兩個(gè)絕緣體201,兩層多孔正極集流體邊緣之間設(shè)有絕緣體201,形成前后通透的正極反應(yīng)腔105,所述多孔正極集流體103的外側(cè)設(shè)有隔膜;正極腔200的腔體高度d為2mm。正極腔內(nèi)充滿連續(xù)或者間歇流動(dòng)的正極懸浮液105。多孔正極集流體103是厚度為500μm的具有通孔結(jié)構(gòu)的電 子導(dǎo)電層,其通孔孔隙率為75%,孔徑范圍500nm。多孔正極集流體為導(dǎo)電填料與粘結(jié)劑的多孔混合物,導(dǎo)電填料為炭黑。負(fù)極腔401包括兩層具有相同極性的多孔負(fù)極集流體104、隔膜101以及兩個(gè)絕緣體,兩層多孔正極集流體邊緣之間設(shè)有絕緣體,形成前后通透的正極反應(yīng)腔106,所述多孔負(fù)極集流體104的外側(cè)設(shè)有隔膜101;負(fù)極腔401的腔體高2mm。負(fù)極腔內(nèi)充滿連續(xù)或者間歇流動(dòng)的負(fù)極懸浮液。多孔負(fù)極集流體是厚度為500μm的具有通孔結(jié)構(gòu)的電子導(dǎo)電層,其通孔孔隙率為80%,孔徑范圍500nm。多孔負(fù)極集流體為導(dǎo)電填料與粘結(jié)劑多孔混合物,導(dǎo)電填料為富鋰硅粉。正極腔200設(shè)有正極極耳202,所述正極極耳與多孔正極集流體電連接,并延伸出,且從正極腔的多孔正極集流體伸出的兩個(gè)正極極耳呈對(duì)角,呈對(duì)角的正極極耳分別通過第一正極導(dǎo)流桿707和第二正極導(dǎo)流桿708電連接,并從電池反應(yīng)器的電池框架延伸出;所述負(fù)極腔401設(shè)有負(fù)極極耳402,所述負(fù)極極耳與多孔負(fù)極集流體電連接,并延伸出,且從負(fù)極腔的多孔負(fù)極集流體伸出的兩個(gè)負(fù)極極耳呈對(duì)角,呈對(duì)角的負(fù)極極耳分別通過第一負(fù)極導(dǎo)流桿709和第二負(fù)極導(dǎo)流桿710電連接,并從電池反應(yīng)器的電池框架延伸出。本實(shí)施例中絕緣體為聚四氟乙烯,隔膜為合成纖維無紡布。電池框架400材料為聚四氟乙烯絕緣耐腐蝕材料,電池框架相對(duì)的兩面a-a1面設(shè)有若干對(duì)容納所述正極腔的直通空槽301,在電池框架相對(duì)的兩面b-b1面設(shè)有若干對(duì)容納所述負(fù)極腔的直通空槽302,正極腔和負(fù)極腔交替放置,正極腔和負(fù)極腔之間設(shè)有高度為0.2mm的隔離腔102,隔離腔內(nèi)部充滿間歇流動(dòng)的電解液,在電池框架相對(duì)的兩面a-a1面和b-b1面設(shè)有對(duì)應(yīng)的電解液進(jìn)出口槽;所述電極腔與c-c1面平行;電解液從a-a1面的電解液進(jìn)口槽進(jìn)入電池反應(yīng)器的隔離腔內(nèi),從b-b1面的電解液出口槽流出。本實(shí)施例中,正極分流板500位于電池框架的面a側(cè)且與面a緊密接觸并固定,正極匯流板701位于電池框架的面a1側(cè)且與面a1緊密接觸并固定;負(fù)極分流板702位于電池框架的面b側(cè)且與b面緊密接觸并固定,負(fù)極匯流板703位于電池框架的面b1側(cè)且與b1面緊密接觸并固定。電解液分流腔包括第一分流腔600和第二分流腔801,第一分流腔和第二分流腔分別與正極分流板500和正極匯流板701緊密接觸并固定;電解液匯流腔包括第一匯流腔802和第二匯流腔803,第一匯流腔和第二匯流腔分別與負(fù)極分流板702和負(fù)極匯流板703緊密接觸并固定。正極分流板500與正極匯流板701結(jié)構(gòu)相同,設(shè)有主流道506和分流道507,所述分流道的位置和數(shù)量與正極腔的位置和數(shù)量一一對(duì)應(yīng),主流道與電池反應(yīng)器的正極進(jìn)液口501連 通,分流道通過若干個(gè)分流孔與正極腔連通。正極懸浮液從正極進(jìn)液口501進(jìn)入所述正極分流板500的主流道,通過分流道底部的分流孔進(jìn)入正極盒的反應(yīng)腔發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完成后的正極懸浮液通過正極匯流板701的分流道流經(jīng)主流道,由正極出液口704流出。負(fù)極分流板702與負(fù)極匯流板703結(jié)構(gòu)相同,設(shè)有主流道和分流道,所述分流道的位置和數(shù)量與負(fù)極腔的位置和數(shù)量一一對(duì)應(yīng),主流道與電池反應(yīng)器的負(fù)極進(jìn)液口或負(fù)極出液口連通,分流道通過若干個(gè)分流孔與負(fù)極腔連通。負(fù)極懸浮液從負(fù)極進(jìn)液口705進(jìn)入所述負(fù)極分流板702的主流道,通過分流道底部的分流孔進(jìn)入負(fù)極腔的反應(yīng)腔發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)完成后的負(fù)極懸浮液通過負(fù)極匯流板703的分流道流經(jīng)主流道,由負(fù)極出液口706流出。正極分流板500和正極匯流板701上設(shè)有電解液進(jìn)液槽504,負(fù)極分流板702和負(fù)極匯流板703上設(shè)有電解液出液槽711,以便電解液從進(jìn)液槽流入到電池隔離腔內(nèi),由電解液出液槽流出。電解液從第一分流腔600的第一進(jìn)液口601和第二分流腔801的第二進(jìn)液口804流入到電解液分流腔的儲(chǔ)液腔內(nèi),通過正極分流板500和正極匯流板701的電解液進(jìn)液槽504分流進(jìn)如電池反應(yīng)器的每個(gè)隔離腔102內(nèi),隔離腔內(nèi)的電解液再通過負(fù)極分流板702和負(fù)極匯流板704的解液出液槽流711入到電解液的第一匯流腔802和第二匯流腔803的儲(chǔ)液腔內(nèi),通過電解液匯流腔的第一出液口805和第二出液口806流出電池反應(yīng)器。電解液這種雙進(jìn)雙出的流動(dòng)方式可以使得隔離腔內(nèi)電解液流動(dòng)更加充分,盡量減少流動(dòng)死角。實(shí)施例二本實(shí)施例中,提供幾種正極腔200、負(fù)極腔401以及隔離腔102的腔體高度,如表1所示:表1正極腔200、負(fù)極腔401、隔離腔102的腔體高度序號(hào)正極腔200負(fù)極腔401隔離腔10210.5mm0.5mm0.1mm25mm5mm2.5mm310mm10mm5mm本實(shí)施例的其它內(nèi)容與實(shí)施例一相同。實(shí)施例三本實(shí)施例中,提供幾類隔膜101、多孔正極集流體103和多孔負(fù)極集流體104的材料,如表2所示:表2組成隔膜、多孔正極集流層和多孔負(fù)極集流層的材料本實(shí)施例的其它內(nèi)容與實(shí)施例一相同。實(shí)施例四本實(shí)施例中,提供幾類正極懸浮液、負(fù)極懸浮液和電解液的組成材料,如表2所示。表2組成正極懸浮液、負(fù)極懸浮液和電解液的材料本實(shí)施例的其它內(nèi)容與實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例三相同。實(shí)施例五本發(fā)明還提供一種半固態(tài)鋰液流電池電解液循環(huán)系統(tǒng),電解液循環(huán)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電解液在隔離腔內(nèi)間歇式流動(dòng),包括電解液儲(chǔ)液裝置901;電解液驅(qū)動(dòng)裝置902;過濾裝置903;加熱裝置904。電極液驅(qū)動(dòng)裝置902采用氣壓驅(qū)動(dòng)作為電解液循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力源。電解液儲(chǔ)液裝置901為由絕緣耐腐蝕材料、或者內(nèi)嵌絕緣耐腐蝕材料構(gòu)成的容器,用來存儲(chǔ)電解液。過濾裝置903設(shè)有連續(xù)式加壓過濾機(jī),過濾精度為0.03μm,通過沉降、過濾、吸附等方式將滲入電解液的電極顆粒和導(dǎo)電顆粒過濾掉,過濾后的電解液重新進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng);加熱裝置904設(shè)有pct加熱片,可將進(jìn)入電池反應(yīng)器之前的電解液的溫度加熱到40℃;本實(shí)施例的其它內(nèi)容與實(shí)施例一、實(shí)施例二、實(shí)施例三和實(shí)施例四相同。最后需要注意的是,公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明,但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi),各種替換和修改都是可能的。因此,本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容,本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁12
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